Jean-Louis Borloo est nommé le 19 juin 2007 ministre d’État, ministre de l’Écologie, du développement et de l’aménagement durables. Le titre de ministre d’État lui vaut une prééminence au sein du gouvernement, et marque la volonté d’accorder à son ministère une importance nouvelle. L’ancien ministère de l’Équipement est en effet regroupé, sous son autorité, avec celui de l’Environnement.

Des actions politiques importantes sont préparées dès l’arrivée de Jean-Louis Borloo au ministère : l’organisation du Grenelle Environnement et sa traduction par des mesures législatives issues des conclusions de ce dernier : la loi Grenelle I du 3 août 2009 puis celle dite « Grenelle II » du 12 juillet 2010. Ces textes permettent notamment la mise en place des nouvelles normes énergétiques dans le bâtiment, des avantages fiscaux pour la rénovation thermique des bâtiments, des diagnostics d'efficacité énergétique, le doublement des tramways, le lancement des autoroutes ferroviaires, la fin des TGV Est, le lancement du TGV Bretagne-Atlantique, du TGV Paris-Bordeaux-Espagne, le bonus-malus écologique pour les voitures, les autoroutes maritimes, la création du collège écologiste au Conseil économique et social (devenant le Conseil économique social et environnemental, Agence pour la biodiversité).

Pendant la présidence française de l'Union européenne, Jean-Louis Borloo a la charge du plan pour le climat et l’énergie. Après l'accord de tous les États membres, le texte est largement voté, à la quasi-unanimité, par le Parlement européen. Il s'implique aussi dans le sommet de Copenhague en présentant un « plan justice-climat » qui vise à réduire les émissions de CO2 en se fondant sur la solidarité entre pays riches et pauvres.

Des secrétaires d’État sont chargés de domaines spécifiques d’activité auprès du ministre de l’Écologie : Nathalie Kosciusko-Morizet en 2007-2008 puis Chantal Jouanno pour l’écologie, Christian Blanc pour le développement de la région capitale en 2008-2010, Dominique Bussereau pour les transports en 2007-2010, Hubert Falco pour l’aménagement du territoire en 2008-2009, Benoist Apparu pour le logement en 2009-2010, et Valérie Létard chargée des technologies vertes et des négociations sur le climat en 2009-1010.